3. Lý thuyết tăng âp động cơ
3.4.1. Tăng âp cho động cơ diesel bốn kỳ
Tăng âp bằng tuabin khí xả đầu tiín được sử dụng cho động cơ 4 kỳ. Đối với động cơ diesel, vì để đâp ứng được nhu cầu về nđng cao công suất cho động cơ nín hầu hết trín câc động cơ diesel cỡ lớn của tău thủy, động cơ diesel trín đầu mây xe lửa vă diesel phât điện đều dùng hệ thống tăng âp. Nhằm giải quyết vấn đề nạp khí ở
câc chế độ khởi động vă tải nhỏ, đảm bảo độ chính âp suất đủ để nạp khí văo xilanh ở câc chế độ đối với động cơ 4 kỳ đơn giản hơn động cơ 2 kỳ nhờ có hănh trình thải vă tiíu thụ không khí quĩt ít. Nói chung sơ đồ nguyín lý tăng âp của câc động cơ 4 kỳ giống nhau, chỉ khâc nhau một ít về kết cấu đường ống xả vă có hoặc không có bầu lăm mât không khí tăng âp.
Để chuyển động cơ 4 kỳ sang tăng âp bằng tuabin khí xả không chỉ đơn giản đặt lín động cơ cụm tuabin mây nĩn vă nối đường ống dẫn của nó với bình chứa không khí tăng âp vă ống góp khí xả. Động cơ 4 kỳ tăng âp tuabin khí xả khâc với động cơ không tăng âp.
- Tăng suất tiíu hao không khí vă khí xả qua câc xupap nạp, xả. Để đảm bảo điều đó, khi tăng âp cần phải tăng góc mở sớm vă đóng muộn câc xupap, tăng góc trùng điệp. Đối với động cơ không tăng âp góc trùng điệp khoảng 25÷500 góc quay trục khuỷu. Khi tăng âp bằng tuabin khí xả, để đảm bảo quĩt khí, góc trùng điệp được tăng lín đến 100÷1400 góc quay trục khuỷu. Câc pha phđn phối khí được lựa chọn ứng với chế độ lăm việc lđu dăi nhất của động cơ.
- Có độ chính âp giữa âp suất không khí tăng âp Ps vă âp trín đường ống xả (âp suất trước tuabin). Nhờ độ chính âp suất nín trong thời kỳ trùng điệp đảm bảo quĩt sạch buồng chây, do vậy hệ số khí sót giảm đến giâ trị γ r = 0,01÷0,02, lăm tăng hệ số nạp vă hệ số dư lượng không khí, cải thiện được chất lượng chây, giảm suất tiíu hao nhiín liệu, ứng suất nhiệt động cơ. Hình 3 - 11, giới thiệu sơ đồ mô tả sự thay đổi câc thông số hệ thống tăng âp diesel 4 kỳ theo tải như sau:
Hình 3 - 11 Sự thay đổi câc thông số tăng âp động cơ diesel 4 kỳ theo tải.
Px, tx- Âp suất, nhiệt độ khí xả; Ps- Âp suất không khí nạp
Từ hình 3 - 11, thấy rõ độ chính âp suất tăng nhanh (Ps-Px) khi tải động cơ tăng. Khi giảm tải độ chính lệch âp suất (Ps-Px) giảm xuống. Khi tải của động cơ 4 kỳ khoảng 30÷50% tải định mức, âp suất tăng âp bằng âp suất khí xả trước tuabin (điểm
Ps, P x 0 2 5 50 2 0 4 0 6 0 Ne , % 0 20 0 40 0 60 0 tx, C 0 t x Ps P x
a). Tại thời điểm năy không diễn ra quâ trình quĩt. Khi tiếp tục giảm tải, âp suất tăng âp bĩ hơn âp suất khí sau xupap xả, nín xảy ra hiện tượng dồn ngược khí xả văo xilanh vă đường ống nạp không khí tăng âp.
Dẫn khí xả tới tuabin theo đường ống xả riíng. Trong trường hợp nối câc ống xả của tất cả câc xilanh với 1 đường ống xả chính thì khi âp suất tăng âp thấp (dưới 200KPa) xung âp suất ngăn cản quĩt câc xilanh khâc vă lă nguyín nhđn dồn ngược khí xả văo câc xilanh. Nối câc ống xả của câc xilanh với câc đường ống riíng sẽ ngăn ngừa được hiện tượng năy vă đảm bảo độ chính âp suất (Ps-Pt) vă tạo quâ trình quĩt bình thường của mỗi xilanh.
Hình 3 - 12 Sơ đồ kết cấu tăng âp động cơ 4 kỳ
1-Rôto TBMN; 2-Vỏ TBMN; 3-Cửa nạp mây nĩn; 4-Mây nĩn 5-Bộ lăm mât không khí tăng âp; 6-Ống nạp;7,8-Xupâp nạp, xả; 9-Ống xả.
Trong hình 3 - 12 giới thiệu sơ đồ tăng âp tuabin khí xả động cơ 4 kỳ. Không khí môi trường xung quanh được nạp văo mây nĩn 4 qua cửa nạp 3, được nĩn vă cấp văo bình chứa 6 thông qua bầu lăm mât không khí 5, từ đó nạp văo xilanh động cơ qua xupap nạp 7. Lăm mât không khí tăng âp để tăng khối lượng không khí nạp (tăng bổ sung công suất động cơ), giảm ứng suất nhiệt.
3.4.2.Tăng âp cho động cơ diesel hai kỳ.
Tăng âp tuabin khí xả trong câc động cơ diesel tău thủy 2 kỳ bắt đầu sử dụng muộn hơn so với động cơ 4 kỳ. Động cơ 2 kỳ sử dụng sơ đồ tăng âp tuabin khí xả của động cơ 4 kỳ (nĩn không khí trong mây nĩn tuabin một cấp) gặp phải khó khăn do tính đặc biệt của nó. Để đảm bảo quâ trình thay đổi khí vă lăm việc tốt, câc động cơ diesel tău thủy 2 kỳ đều được tăng âp bằng tuabin khí hoặc tăng âp hỗn hợp.
Tính đặc biệt của tăng âp động cơ hai kỳ.
Câc tính đặc biệt sau đđy của động cơ 2 kỳ gđy khó khăn cho việc sử dụng tăng âp tuabin khí xả hay hạn chế việc tăng công suất tăng âp động cơ.
- Cần đảm bảo độ chính giữa âp suất không khí tăng âp trong bình chứa vă âp suất khí xả trong đường ống xả (Ps-Px) trong tất cả câc chế độ tải của động cơ. Đối với động cơ 4 kỳ, nhờ có hănh trình xả vă nạp đảm bảo xả được hầu hết sản vật chây ra khỏi xilanh vă nạp văo xilanh đủ khối lượng không khí ở câc chế độ lăm việc bất kỳ. Đối với động cơ 2 kì, nếu ở 1 chế độ lăm việc năo đó âp suất tăng âp thấp hơn âp suất khí trong đường ống xả thì chu trình công tâc không thể thực hiện được khả năng quĩt vă không nạp văo xilanh đủ lượng không khí cần thiết để đốt chây nhiín liệu. Để đảm bảo quĩt vă nạp không khí văo xilanh, âp suất tăng âp cần phải cao hơn âp suất khí trong trường hợp ống xả ở tất cả câc chế độ tải, do vậy tiíu tốn công suất bổ sung để nĩn không khí đến âp suất cao.
- Để đảm bảo chất lượng trao đổi khí trong động cơ 2 kỳ, yíu cầu hệ số quĩt lớn hơn so với động cơ 4 kỳ. Hệ số quĩt của động cơ 2 kỳ ϕa= 1,45÷1,65; trong khi đó của động cơ 4 kỳϕâ= 1,07÷1,35. Để tăng hệ số dư lượng không khí quĩt cần tăng lượng không khí do mây nĩn cấp vă như vậy phải tăng công suất tiíu thụ cho mây nĩn.
- So với động cơ 4 kỳ, khi âp suất chỉ thị trung bình bằng nhau, nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ thấp hơn. Đối với động cơ 2 kỳ ở chế độ định mức, nhiệt độ khí xả nằm trong giới hạn 350÷4500C. Còn với động cơ 4 kỳ, có thể đạt 450÷5000C. Nguyín nhđn giảm nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ lă do lượng không khí quĩt lớn. Giảm nhiệt độ khí xả lă nguyín nhđn giảm công suất tuabin.
Như vậy, tăng công suất động cơ 2 kỳ bằng câch sử dụng tuabin khí xả phức tạp hơn so với động cơ 4 kỳ, vì công suất tuabin nhỏ nhưng hệ thống tăng âp cần phải cấp lượng không khí lớn hơn vă có âp suất cao hơn. Hiệu số giữa công suất cần thiết của mây nĩn để cấp không khí với công suất do tuabin sinh ra có khi đạt tới (4-6)% công suất chỉ thị của động cơ.
- Tăng âp động cơ 2 kỳ lăm tăng ứng suất nhiệt vă ứng suất cơ.